Применение адиобатного процесса в физике

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГБУ «Высшая Банковская школа»

Реферат по дисциплине:

Физика

На тему:

«Применение адиобатного процесса»

Работу выполнила

Студентка группы №80-13

Оганесян Нарине

Проверила:

Светлана Леонидовна

Санкт - Петербург

2014 год



Содержание

Введение

1. Приминение адиабатного процесса в технике

1.1 Применение первого начала термодинамики к изопроцессам

1.2 Использование адиабатного процесса испарения для снижения температуры приточного воздуха

1.3 Адиабатный двигатель с внешним подводом теплоты (двигатель внешнего сгорания, двигатель Стирлинга

2. Применение адиабатного процесса в природе

Заключение

Приложение



Введение

Адиабатимческий, или адиабамтный процемсс -- термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не обменивается теплотой \ с окружающим пространством. Серьёзное исследование адиабатических процессов началось в XVIII веке.

Адиабатический процесс является частным случаем политропного процесса, так как при нём теплоёмкость газа равна нулю и, следовательно, постоянно. Адиабатические процессы обратимы только тогда, когда в каждый момент времени система остаётся равновесной (например, изменение состояния происходит достаточно медленно) и изменения энтропии не происходит. Некоторые авторы (в частности, Л.Д. Ландау) называли адиабатическими только обратимые адиабатические процессы.

Обратимый адиабатический процесс для идеального газа описывается уравнением Пуассона. Линия, изображающая адиабатный процесс на термодинамической диаграмме, называется адиабатой Пуассона. Примером необратимого адиабатического процесса может быть распространение ударной волны в газе. Такой процесс описывается ударной адиабатой. Адиабатическими можно считать процессы в целом ряде явлений природы. Так же такие процессы получили ряд применений в технике.

Адиабатные процессы широко используются в технике. Они играют немалую роль в природе.



1. Приминение адиобатного процесса в технике

Процесс в теплоизолированной системе называют адиабатным.

При адиабатном процессе Q = 0 и согласно закону (1) изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы:

(1)

Конечно, нельзя окружить систему оболочкой, абсолютно исключающей теплообмен. Но в ряде случаев реальные процессы очень близки к адиабатным. Существуют оболочки, обладающие малой теплопроводностью, например двойные стенки с вакуумом между ними. Так изготовляются термосы.

Процесс можно считать адиабатным даже без теплоизолирующей оболочки, если он происходит достаточно быстро, т. е. так, чтобы за время процесса не происходило заметного теплообмена между системой и окружающими телами.

Согласно выражению () при совершении над системой положительной работы, например при сжатии газа, внутренняя энергия его увеличивается; газ нагревается. Наоборот, при расширении газ сам совершает положительную работу (А' > 0), но А < 0 и внутренняя энергия его уменьшается; газ охлаждается.

Зависимость давления газа от его объема при адиабатном процессе изображается кривой, называемой адиабатой (рис. 1). Адиабата обязательно идет круче изотермы. Ведь при адиабатном процессе давление газа уменьшается не только за счет увеличения объема, как при изотермическом процессе, но и за счет уменьшения его температуры.



Рис.1

1.1 Применение первого начала термодинамики к изопроцессам

Различают следующие виды термодинамических процессов:

1.Изохорный - это процесс, протекающий при постоянном объеме. V=const. При изохорном процессе газ не совершает работы над внешними телами, так как dV=0. Вся теплота, сообщаемая газу, идет на увеличение его внутренней энергии и отсюда I начало термодинамики для изохорного процесса дQ = dU. Для одного моля дQ_м=dU_м, где dU_м=С_VdT. Изохорным является процесс сгорания топлива в карбюраторном двигателе.

2.Изобарный - это процесс, протекающий при постоянном давлении. Прямая, изображающая этот процесс в координатах (V,T), называется изобарой. (Первое начало термодинамики для изобарного процесса дQ = dU + дA. Так давление не меняется, то работа газа при увеличении объема от V₁ до V₂ равна Теплота, сообщаемая газу массой m в изобарном процессе, при этом его внутренняя энергия возрастает на величину так как внутренняя энергия идеального газа не зависит от давления и объема, а определяется лишь температурой. При изобарном нагревании к системе подводится тепло дQ >0 и дA >0, так как газ расширяется. При изобарном сжатии направление процесса меняется на противоположное и теперь тепло отводится от системы, т.е. дQ <0 и дA <0, так как работу над газом совершают внешние силы. dU также будет меньше нуля. Примером изобарного процесса может служить процесс образования пара в паровых котлах или сгорания топлива в воздушно-реактивных двигателях.

3.Изотермический - это процесс, протекающий при постоянной температуре. Кривая, построенная в координатах (р, V), называется изотермой. Она представляет собой гиперболу (рис.2.), расположенную на диаграмме тем выше, чем выше температура, при которой происходит процесс. Так как при Т = const внутренняя энергия идеального газа не изменяется, то dU = 0 и первое начало термодинамики для изотермического процесса примет вид: дQ = дА. Теплоемкость при изотермическом процессе С_Т =дQ/dT=дQ/0 = ? и не имеет смысла. Изотермический процесс осуществляется при наличии термостата (внешней среды или тела с большим запасом внутренней энергии, находящемся при той же температуре).

Найдем работу изотермического расширения газа, учитывая, что все количество теплоты, сообщаемое газу, расходуется на совершение им работы против внешних сил и не изменяет его температуру. Учитывая формулу для работы и уравнение Менделеева-Клайперона, получаем: примерами изотермических процессов являются закалка и отжиг сталей в процессе их изготовления. Существуют автомобили и вагоны - рефрижераторы, служащие для перевозки скоропортящихся продуктов. Они имеют теплоизолированный кузов и холодильники для поддержания внутри постоянной температуры и поэтому процесс перевозки продуктов в таких условиях можно назвать изотермическим..

4.Адиабатический процесс. Адиабатическим называется процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой, т.е. дQ = 0, Q = const. Так как дQ = 0, первое начало термодинамики имеет вид: дА=-dU т.е. работа совершается за счет внутренней энергии газа. Если газ расширяется, то дА>0, dU<0 и температура газа уменьшается. Если происходит сжатие газа, то дА<0 и dU>0. Работу над газом совершают внешние силы, внутренняя энергия (а, значит, и температура) газа повышается. Реализовать адибатический процесс можно, если проводить его либо при хорошей теплоизоляции от окружающей среды, либо быстро за короткое время, при котором теплообмен будет мал.

В формуле:

-- Изменение внутренней энергии

-- Количество теплоты

-- Работа внешних сил

-- Работа совершаемая системой

-- Объем газа

-Давление газа

1.2 Использование адиабатного процесса испарения для снижения температуры приточного воздуха [1]

Физическая сущность указанного способа заключается в следующем. Наружный воздух, обрабатываемый в камере орошения кондиционера, вступает в контакт с капельками разбрызгиваемой воды, которая имеет температуру мокрого термометра. В результате воздух принимает состояние, (близкое к состоянию насыщения %), за счет происходящего в этом случае испарения влаги. Источником теплоты в процессе испарения для системы «вода -- воздух» является воздух, а потенциалом переноса теплоты -- разность температур между воздухом и водой. Приточный воздух, отдавая явную теплоту в процессе теплообмена, снижает свою температуру. Теоретически при достижении полного насыщения конечная температура воздуха должна быть равна температуре мокрого термометра. Практически достичь такого состояния воздуха в камере орошения не удается. При адиабатном способе обработки приточного воздуха из всех основных элементов кондиционера функционирует только оросительная камера. Вода в камере орошения принимает температуру мокрого термометра. Для поддержания этой температуры не требуется специальных охлаждающих устройств. Расход воды на испарение составляет 3-5%. Остальная вода выпадает в поддон, откуда насосом подается к форсункам. Подпитка камеры орошения водой осуществляется автоматически. Изменение температуры разбрызгиваемой воды за счет добавляемой воды практически не наблюдается за счет незначительного количества подпитки. Сжижение газов.

Любое вещество можно перевести в газообразное состояние надлежащим подбором давления и температуры. Поэтому возможную область существования газообразного состояния графически удобно изобразить в переменных: давление р - температура Т (в р, Т-диаграмме). При температурах ниже критической Т_кэта область ограничена кривыми сублимации (возгонки) / и парообразования II. Это означает, что при любом давлении ниже критического р_к существует температура Т, определяемая кривой сублимации или парообразования, выше которой вещество становится газообразным. В состояниях на кривой 1 (ниже тройной точки T_p)газ находится в равновесии с твёрдым веществом (твёрдой фазой), а на кривой II (между тройной и критической точкой К.) - с жидкой фазой. Газ в этих состояниях обычно называют паром вещества.

При температурах ниже Т_к можно сконденсировать газ. - перевести его в др. агрегатное состояние (твёрдое или жидкое). При этом фазовое превращение газа в жидкость или твёрдое тело происходит скачкообразно: весьма малое изменение давления приводит к конечному изменению ряда свойств вещества (например, плотности, теплоёмкости и др.). Процессы конденсации газа имеют важное техническое значение.

При Т > Т_к граница газообразной области условна, поскольку при этих температурах фазовые превращения не происходят. В ряде случаев за условную границу между газом. и жидкостью при сверхкритических температурах и давлениях принимают критическую изохору вещества (кривую постоянной плотности или удельного объёма), в непосредственной близости от которой свойства вещества изменяются, хотя и не скачком, но особенно быстро. В связи с тем что область газового состояния очень обширна, свойства газов при изменении температуры и давления могут меняться в широких пределах. С другой стороны, при высоких давлениях вещество, которое при сверхкритических температурах можно считать газом, обладает огромной плотностью (например, в центре некоторых звёзд ~10⁹ г/см³). В зависимости от условий в широких пределах изменяются и др. свойства газов - теплопроводность, вязкость и т. д. Сжижение газов

Сжижение газов - переход вещества из газообразного состояния в жидкое.

Оно достигается охлаждением их ниже критической температуры (Т_к ) и последующей конденсацией в результате отвода теплоты парообразования (конденсации). Охлаждение газа ниже Т_К необходимо для достижения области температур, при которых газ может сконденсироваться в жидкость (при Т > Т_К жидкость существовать не может). Впервые газ (аммиак) был сжижен в 1792 (голландский физик М. ван Марум[2]). Хлор был получен в жидком состоянии в 1823 (М.Фарадей[3]), кислород -- в 1877 (швейцарский учёный Р. Пикте[4] и- французский учёный Л.П. Кальете[5]), азот и окись углерода -- в 1883 (З.Ф. Врублевский и К. Ольшевский[6]) водород -- в 1898 (Дж. Дьюар[7]), гелий -- в 1908 (Х. Камерлинг-Оннес[8]).

Изобара^1--2соответствует охлаждению газа до начала конденсации, изотерма 2--0 -- конденсации газа. Площадь ниже 1--2--0 эквивалентна количеству теплоты, которое не обходимо отвести от газа при его сжижении, а площадь внутри контура 1--2--0--3 (1--3-- изотермическое сжатие газа, 3--0 --адиабатическое его расширение) характеризует термодинамически минимальную работу L_min, необходимую для сжижения газа. L_min = T₀(S_Г -- S_Ж) -- (J_Г - J_Ж), где T₀ -- температура окружающей среды; S_Г, S_Ж -- энтропии газа и жидкости; J_Г, J_Ж -- теплосодержания (энтальпии) газа и жидкости.

1.3 Адиабатный двигатель с внешним подводом теплоты (двигатель внешнего сгорания, двигатель Стирлинга) [9]

Двигатель может быть применен как:

· криоохладитель - в энергетике для обеспечения сверхпроводимости, в медицине для сохранения органов, в пищевой промышленности для заморозки продуктов;

· двигатель для экологически чистого транспорта, работающего на тепловых аккумуляторах, изотопах, термохимической реакции или экологически чистом топливе;

· двигатель для транспортных средств, работающих на альтернативных видах топлива (сжатый природный газ, сжиженный нефтяной газ, криогенное топливо);

· двигатель для надводных судов;

· анаэробный двигатель для подводных и космических кораблей, для подводных и космических добывающих комплексов для извлечения полезных искомых из донных отложений и океанических россыпей, для добычи Гелия-3 из лунного грунта;

· двигатель для энергосберегающих когенерационных технологий, вырабатывающих тепловую и электрическую энергию с уменьшенным удельным КПД энергетических установок;

· привод для систем и установок для рационального использования энергоресурсов и комплексного использования вторичных энергоресурсов;

· привод для систем комплексного совместного использования традиционной энергетики и возобновляемых источников энергии;

· привод для энергетических установок, обеспечивающих прямое преобразование солнечного излучения в электроэнергию:

v привод для систем более эффективных и экологически чистых технологий использования геотермальных источников энергии;

v привод для производства электроэнергии и тепла на органическом топливе;

v холодильник для бытовых и промышленных холодильников и кондиционеров

v двигатель для высотной винтовой авиации, в т.ч. для долгих (месяцы, годы) полетов, и т.д

Прорывной проект по созданию двигателя с внешним подводом теплоты (двигателя Стирлинга[10]) четвертого поколения, на базе которого можно создать более эффективные во всех отношениях силовые установки, имеет принципиальное отличие от выпускающихся аналогичных двигателей. Уникальность представленной концепции заключается в том, что новый двигатель будет иметь несколько принципиальных усовершенствований, которые позволят создаваемому двигателю занять лидирующие позиции в двигателестроении.

Двигатель с внешним подводом теплоты давно востребован на рынке, но до сих пор в России серийно не выпускается, причина нет достойных разработанных конструкций, позволяющих вкладывать в них деньги. Попытки некоторых компаний разработать свой вариант двигателя не находили претворения по причине классического (автомобильного) подхода к решению проблем двигателя. Нестандартный подход к решению технических проблем показал, что эти решения существуют и они кардинально повышают эффективность двигателя.

Разработка АДВПТ достаточно наукоемкая, плагиаторам быстро повторить (скопировать) разработку не получится. Двигатель будет пользоваться огромным спросом, т.к. он решает массу задач, которые трудно решить существующими методами, он имеет характеристики значительно лучшие, чем продукт аналогичного назначения, имеющийся на рынке, его показатели недоступны для конкурирующих образцов. В свете его стратегического характера, его цена может быть очень высокой, что даст высокую маржу и возможность развивать другие конструкции. Длинный жизненный цикл позволит получать доход с услуг по обслуживанию, модернизации, ремонту двигателей. Двигатель очень перспективен для применения в разных областях народного хозяйства, что дает высокую степень системной инновационности, позволит создать технологическое дифференцирование на рынке и диверсифицированный портфель инновационных продуктов и услуг, т.е. позволит иметь различные варианты и номенклатуру исполнения для различных применений, что в свою очередь позволит уменьшить инновационные риски. Это идеальный проект для инвестирования, который позволит многие годы извлекать из него высокую прибыль и стать лидером в отрасли. адиабатный процесс газ двигатель

Финансовый риск производства двигателей с внешним подводом теплоты в условиях дефицита энергетических ресурсов минимальный, т.к. сделать неработоспособный двигатель с предлагаемым бесшатунным преобразователем движения практически невозможно. К тому же, любой успешный бизнес связан с продажей трех вещей - того, что делается, того, как это делается, и акций фирмы. В техническом плане риски незначительны, т.к. существует множество решений для обхода появляющихся трудностей.



2. Применение адиабатного процесса в природе

Число подобных примеров можно увеличить практически неограниченно. Все они говорят о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, никак не отраженную в первом законе термодинамики. Все процессы в природе протекают только в одном определенном направлении. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них старение и смерть организмов. Уточним понятие необратимого процесса. Необратимым процессом может быть назван такой процесс, обратный которому может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса. Так, в примере с маятником можно вновь увеличить амплитуду колебаний маятника, подтолкнув его рукой. Но это увеличение амплитуды возникает не само собой, а становится возможным в результате более сложного процесса, включающего толчок рукой. Можно в принципе перевести теплоту от холодного тела к горячему, но для этого нужна холодильная установка, потребляющая энергию, и т. д.

Математически необратимость механических процессов выражается в том, что уравнения движения макроскопических тел изменяются с изменением знака времени. Они, как говорят, не инвариантны при преобразовании t -t. Ускорение не меняет знака при t-t.Силы, зависящие от расстояний, также не меняют знака. Знак при замене t на -t меняется у скорости. Именно поэтому при совершении работы силами трения, зависящими от скорости, кинетическая энергия тела необратимо переходит во внутреннюю. Хорошей иллюстрацией необратимости явлений в природе служит просмотр кинофильма в обратном направлении. Например, падение хрустальной вазы со стола будет выглядеть следующим образом. Лежащие на полу осколки вазы устремляются друг к другу и, соединяясь, образуют целую вазу. Затем ваза возносится вверх и вот уже спокойно стоит на столе. То, что мы видим на экране, могло бы происходить в действительности, если бы процессы можно было обратить. Нелепость происходящего проистекает из того, что мы привыкли к определенной направленности процессов и не допускаем возможности их обратного течения. А ведь такой процесс, как восстановление вазы из осколков, не противоречит ни закону сохранения энергии, ни законам механики, ни вообще каким-либо законам, кроме второго закона термодинамики.

Процессы в природе необратимы. Наиболее типичными необратимыми процессами являются:

1)переход теплоты, от горячего тела к холодному;

2)переход механической энергии во внутреннюю.



Заключение [11]

Адиабатный процесс -- это процесс, происходящий без теплообмена системы с окружающей средой, т.е. Q = 0. Первый закон термодинамики имеет вид:

ДU+A=0?A=?ДU.

Это значит, что при адиабатном процессе система может выполнять работу над внешними телами только за счет убыли своей внутренней энергии. Если А > 0, то ДU = -A < 0, т.е. U₂ < U₁, а так как U=i2mMRT, то T₂ < T₁.

Как известно, газ совершает положительную работу, если ДV > 0.

Таким образом, при адиабатном расширении газ совершает работу и сам охлаждается. Наоборот, при адиабатном сжатии А < 0 над газом совершается работа и газ нагревается.

При адиабатном процессе давление и объем связаны между собой уравнением

pVг=const.

Где г > 1 -- показатель адиабаты (или коэффициент Пуассона). Это уравнение называется уравнением адиабаты или уравнением Пуассона.

Адиабатное изменение состояния газа можно выразить графически. График этого процесса называют адиабатой. При одних и тех же начальных условиях (p₀, V₀) при адиабатном расширении давление газа уменьшается быстрее, чем при изотермическом (рис. 2), так как падение давления вызвано не только увеличением объема (как при изотермическом расширении), но и понижением температуры. Поэтому адиабата идет ниже изотермы и газ при адиабатном расширении совершает меньшую работу, чем при изотермическом расширении.

Рис. 2

При быстром сжатии (расширении) теплообмен произойти не успевает и процессы можно рассматривать как адиабатные (неравновесные). Поэтому любой газ при быстром сжатии нагревается (например, нагревание насоса при накачивании велосипедной шины). При сильном и быстром сжатии воздуха температура может повыситься настолько, что при наличии в воздухе паров бензина они воспламеняются. Это используется в дизельных двигателях для зажигания горючей смеси. Этим объясняется необходимость специального охлаждения мощных компрессоров.

Охлаждение воздуха при адиабатном расширении вызывает образование облаков.



Приложение

[1]

Совершение над газом работы на элементарном участке

[2]

Ван Марум Мартин (20.03.1750-26.12.1837) -- нидерландский физик и ботаник. Родился в Делфте. Окончил Гронингенский университет (1773). В 1776 -- 80 был врачом в Гарлеме, с 1783 -- директором кабинета любителей физики и естествознания (впоследствии музей Тейлора в Гарлеме).



[3]

Майкл Фарадемй (22 сентября 1791, Лондон --25 августа 1867, Лондон) -- английский физик-экспериментатор ихимик. Член Лондонского королевского общества (1824) и множества других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской академии наук (1830).

[4]

Рауль Пикте (4 апреля 1846- 27 июля 1929) -- швейцарский физик. Первым получил жидкий азот.



[5]

1832 Луи Поль Кальете французский физик, член Парижской академии наук (с 1884). По окончании курса в Горном институте стал заведовать чугуноплавильными заводами своего отца, что дало ему возможность изучить металлургические процессы, о которых он напечатал ряд работ в «Comptes rendus» Парижской академии наук. Его крупнейшей заслугой является сжижение так называемых постоянных газов, которого он достиг в конце 1877 г., на несколько дней раньше женевского физика Рауля Пикте, произведшего сжижение кислорода, но другим способом. Умер 5 января 1913 года.



[6]

Врублевский Сигизмунд Флорентий Антонович (28 октября 1845, Гродно -- 16 апреля 1888,Краков) -- польский физик и химик, профессор Ягеллонского университета в Кракове, в 1883 году совместно с К. Ольшевским впервые получил в измеримых количествах жидкий кислород.

Ольшевский Кароль (29.I.1846 - 24.III.1915) -- польский физик и химик, член Польской (Краковской) АН (1888). Родился в Бронишове Тарновском. Учился в Ягеллонском ун-те в Кракове, окончил Гейдельбергский ун-т (1872). С 1876 -- профессор Ягеллонского Краковского ун-та.



[7]

Джеймс Дьюар (20 сентября 1842, Кинкардин-он-Форт, Шотландия -- 27 марта 1923, Лондон) -- шотландский физик и химик.

В 1861 г. Окончил Эдинбургский университет. В 1867--1869 гг. стажировался в Боннском университете у Ф. А. Кекуле. С 1869 г. работал в Ветеринарном колледже Эдинбурга. В 1875--1923 гг.-- профессор Кембриджского университета, в 1877--1923 гг. -- лондонского Королевского института. Президент Лондонского химического общества с 1897 по 1899 г.

[8]

Хейке Камерлинг-Оннес (21 сентября 1853, Гронинген -- 21 февраля 1926, Лейден) -- голландскийфизик и химик, лауреат Нобелевской премии по физике 1913 года.



[9]

Ромберт Стимрлинг (25 октября 1790, Клог Фарм, Шотландия -- 6 июня 1878, Галстон, Шотландия) -- шотландский священник, изобретатель двигателя Стирлинга.

Двигатель Стирлинга

Альфа- Стирлинг

Бета-стирлинг сромбическим механизмом и регенератором



Гамма-Стирлинг без регенератора

Двигатель Стирлинга с линейным генератором переменного тока

[11]

Показатели адиабаты для различных газов
Темп.	Газ	k		Темп.	Газ	k
?181 °C	H2	1.597		20 °C	He	1.660
?76 °C		1.453		20 °C	H2O	1.330
20 °C		1.410		100 °C		1.324
100 °C		1.404		200 °C		1.310
400 °C		1.387		?180 °C	Ar	1.760
1000 °C		1.358		20 °C		1.670
2000 °C		1.318

Размещено на Allbest.ru

...